Modern tidhållning

klockaModern tidhållning och en bakgrund till nutidens definition av tid.

Längden på SI enheten 1 sekund har under det senaste årtusendet varierat. Detta beror inte enbart på att jordens rotationshastighet och därmed soldygnets längd varierar från dag till dag eller från århundrade till århundrade, utan framför allt på behovet av en allt mer väldefinierad och stabil tid.

Detta behov uppstod framför allt då olika transportsystem utvecklades under mitten av 1800-talet. Då folk och gods transporterades med häst och vagn räckte det med den lokala tid som varje större ort använde sig av. Men då transporterna och framför allt järnvägen utvecklades, kunde man under något dygn passera flera lokala tidszoner - klockorna behövdes ställas om flera gånger och risken att missa en avgång på grund av att man missat att ställa om sin klocka var antagligen ganska stor. Vad man behövde var därför en gemensam tid över landet och senare även över hela jorden. Jorden delades så småningom upp i 24 geografiskt bestämda tidszoner, varje zon 15 grader i longitud med exakt 1 timmas skillnad. Basen för den standardiserade tiden lades vid nollmeridianen genom Greenwich i England. För varje förflyttning på 15 grader i östlig led läggs 1 timma till och för varje förflyttning på 15 grader i västlig led dras 1 timma bort.

Ett ännu större behov av en väldefinierad och stabil tid har uppstått under 1900-talet då utvecklingen av radio- och datakommunikationssystem och energiöverföringssystem accelererat. Dessa system är beroende av väl synkroniserade klockor, ju bättre synkronisering desto större överföringskapacitet och mindre risk för fel i systemen. På senare år har även system för navigering med hjälp av satelliter utvecklats och tagits i bruk inom allt fler användningsområden. För att dessa system skall fungera krävs atomklockor av högsta kvalitet.

Nedan beskrivs de olika definitioner på SI enheten 1 sekund som förekommit under det senaste århundradet och de tidsskalor som definitionerna baseras på och vidare vad som idag är officiell världstid.

Officiell världstid, definitionen på enheten 1 sekund och relaterade tidsskalor

En tidsskala måste ha en början och därefter en kontinuerlig uppräkning. Från tidsskalans början - som vi nedan kallar den initiala fasen - lägger man till tidintervall. Dessa tidintervall kan vara sekunder som ackumuleras till minuter, timmar, dagar, veckor, månader, år, århundraden, årtusenden, och så vidare. Man skiljer tidsskalor åt genom att de antingen har olika början eller olika längd på sekunden, eller bådadera. Som nämnts ovan har definitionen på 1 sekund ändrats flera gånger, men även officiell världstid har ändrats - det vill säga olika tidsskalor har använts för den officiella världstiden.

Världstidsskalan (UT)

Världstidsskalan UT (eng. Universal Time) baseras på jordens rotation kring sin egen axel. Den sanna soltiden - det vill säga tidintervallet mellan två tidpunkter då solen står som högst - varierar beroende var på jorden man befinner sig och när på året man mäter. De största variationerna beror på att jordens lutningsplan relativt  det plan jorden beskriver under sin vandring kring solen är olika, samt att jordens rotation kring solen inte är cirkulär utan elliptisk. Korrigerar man för dessa variationer - som kan vara flera tiotals minuter och kallas tidsekvationen - får man något som kallas medelsoltid. Tidsskalan UT0 är lika med medelsoltid om man gör korrektionerna vid Greenwich meridianen i England.

Tidsskalan UT0 varierar i sin tur märkbart på grund av något som kallas polvandring och som beror på att jordens rotationsaxel relativt jorden yta varierar. Korrigerar man för dessa variationer på upp till ca 50 millisekunder (ms) erhåller man världstidsskalan UT1. UT1 kan beräknas med en noggrannhet på ca 3 ms på en dag.

Fram till 1960 definierades SI enheten 1 sekund av 1/86400 delar av medelsoldygnet, given i UT1 beräknad vid Greenwich meridianen. Den initiala fasen är vald så att 00:00:00 UT1 sammanfaller, i medel, med midnatt i Greenwich.
Den officiella världstiden baserades på UT1 fram till 1972. Den kallades då GMT (Greenwich Mean Time).

Trots korrigeringarna på grund av det dynamiska system som jordens rotation beskriver blev stabiliteten i UT1 till slut inte tillräcklig som bas för definitionen av 1 sekund. Samhällets utveckling krävde en mer långsiktigt stabil definition.

Efemeridtidsskalan (ET)

Efemeridtidsskalan ET (eng. Ephemeris Time) baseras på jordens rotation kring solen. Denna rotation är betydligt mer stabil än jordens rotation kring sin egen axel.
Fram till 1967 definierades SI enheten 1 sekund av 1/31556925,9747 delar av det tropiska året - det vill säga det år som beräknas genom observationer mot solen - år 1900. Detta innebär att 1 sekund sattes lika med en medelsekund av jordens rotation i början av detta århundrade. Den initiala fasen är vald så att ET och UT1 approximativt överensstämde år 1900. På grund av avstannandet i jorden rotation kring sin egen axel och övriga variationer, var 1988 skillnaden mellan ET och UT1 ca 56 sekunder.

Trots att ET är betydligt mer långtidsstabil än UT1 kan man endast beräkna denna stabilitet med en noggrannhet på 50 ms, och detta om man mäter under ca 10 år. Inte heller detta låg i fas med näringslivets krav.

Atomtidsskalan (TAI)

De ovanstående så kallade dynamiska tidsskalorna erhålls genom att räkna perioder av jordens rotation. En atomtidsskala erhålls genom att räkna perioder av en elektromagnetisk strålning låst till en atoms resonansfrekvens. Under 1940-talet började de första atomuren användas och producera olika atomtidsskalor. Med hjälp av dessa klockor, bland annat cesiumur, kunde man mycket noggrant studera variationer i UT1 och ET. Detta föranledde en ny definition av enheten för 1 sekund.

Sedan 1967 definieras SI enheten 1 sekund enligt:

Grundenheten i SI, 1 sekund, definieras som varaktigheten av 9192631770 perioder av den strålning som motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna i grundtillståndet hos atomen Cesium 133.

Den Internationella Atomtidsskalan TAI (eng. International Atomic Time) använder denna definition som bas. Den initiala fasen sammanfaller med UT1 den 1 Januari 1958 00:00:00.
Definitionen av TAI är (fritt översatt från engelska):

Den Internationella atomtidsskalan (TAI) är den koordinerade referenstiden etablerad av den Internationella Byrån för Mått och Vikt (BIPM) och baserad på tiden från atomklockor upprätthållna enligt överensstämmelse med definitionen på sekunden, enheten för tid i det Internationella systemet av enheter, SI.

Med koordinerad tidsskala menas att tiden är en av koordinaterna i ett system av tre rymdkoordinater (x, y, z) och en tidskoordinat (t).  I tillägg till detta gäller:
TAI är en koordinerad tidsskala definierad i en geocentrisk referensram (med ramens origo vid jordens centrum) med SI sekunden realiserad på den roterande geoiden som skalenhet.
Det sista innebär att de klockor som ingår i TAI måste antingen vara placerade vid havsnivå eller, om så inte är fallet, korrigeras för höjdskillnaden. Att man gör så beror givetvis på gravitationseffekter inom relativitetsteorin. En klocka som påverkas av mindre gravitation går lite fortare i förhållande till en klocka med högre gravitation. Denna effekt är relativt stor: om en klocka befinner sig på 1 km höjd så går den ca 10 nanosekunder för fort per dag i förhållande till en klocka vid havsnivån.

Fördelen med TAI är att den kan realiseras i laboratorier med en mycket hög noggrannhet -  bättre än några få nanosekunder om man mäter under ca 1 minut - vilket förutsätter tillgången till ett atomur. Till skillnad från UT1 och ET är däremot TAI inte en fysisk klocka. TAI är en systemtid eller en så kallad ”pappersklocka”. TAI beräknas som ett viktat medelvärde av ca 450 atomur lokaliserade i ett 70-tal laboratorier världen runt.

TAI är helt oberoende av variationer i jordens rotationshastighet - det vill säga helt oberoende av solens upp och nedgång. Längden på tidintervallet för den nya definitionen av enheten 1 sekund sattes till ungefär längden på den tidigare definitionen, ET-sekunden. Längden på ET-sekunden i sin tur sattes till längden på UT1-sekunden år 1900. På grund av jorden rotationshastighets långsamt avstannande blir ett medelsoldygn ett par millisekunder längre på hundra år. Denna ökning innebär i sin tur att TAI och UT1 driver ifrån varandra med, för närvarande, ca 2 sekunder på 3 år.

Den officiella världstiden var fram till 1972 fortfarande baserad på UT1. Samhället var dock i behov av en officiell tidsskala som har de goda egenskaper en atomtidsskala har, samtidigt som astronomer, navigatörer och folk i allmänhet var och är beroende av en tidsskala som följer solens upp och nedgång. Lösningen på detta blev en ny tidsskala, UTC. UTC baserades på atomur men frekvensen eller takten i klockorna justerades till en början en gång per år för att ligga i fas med UT1 och medelsoldygnet. Detta innebar att man erhöll en tidsskala som hade samma stabila egenskaper som TAI men som approximativt följer solens upp och nedgång. Det stora problemet var att man var tvungen att justera sina klockor ideligen och att UT1 var svår att prediktera. Ett nytt tillvägagångssätt för beräkning av UTC behövdes.

Den koordinerade världstidsskalan (UTC)

Den koordinerade världstidsskalan UTC (eng. Coordinated Universal Time) definierades om 1972 och blev samtidigt ny officiell världstid. UTC består av en kombination av TAI och UT1 och är definierad enligt följande:
UTC - TAI = n sekunder (n heltal)
| UTC - UT1 | < 0,9 sekunder.

UTC är från och med 1972 officiell världstid. UTC 00:00:00 sammanfaller med midnatt vid nollmeridianen i Greenwich.

Dessa ekvationer innebär att skillnaden mellan UTC och TAI alltid är ett helt antal sekunder. Istället för att som tidigare kontinuerligt ändra takten i UTC för att följa UT1 lägger man till eller drar bort en sekund till UTC i förhållande till TAI när skillnaden mellan UTC och UT1 är större än 0,9 sekunder. Detta innebär att UTC alltid har samma goda egenskaper som TAI - tidsskalorna använder samma definition på sekunden - samtidigt som UTC följer jordens rotationshastighet. De extra sekunder som läggs till eller tas bort kallas skottsekunder.

Lokala tidsskalor

Lokala tidsskalor beräknas utifrån UTC, genom att lägga till eller dra ifrån ett helt antal eller till och med halva timmar, beroende på tidszon. Detta är också beroende på beslut om sommartid. Alla officiella utsändningar eller distributioner av tidssignaler t ex via telenät, TV, Internet, markbundna eller satellitbaserade radiosändare förväntas vara baserade på dessa lokala tidsskalor och därmed UTC.

Sveriges officiella tid är UTC + 1 timma normaltid och UTC + 2 timmar sommartid.

Relaterad information

Verksamhetsområden

Mätteknik

Kontaktpersoner

Kenneth Jaldehag

Tel: 010-516 54 08

Carsten Rieck

Tel: 010-516 54 40

SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, Box 857, 501 15 Borås, Tel 010-516 50 00, E-post info@sp.se

Dela den här sidan: